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电磁感应。 科学发现的历史和本质
发现后 奥斯特 и 安培 很明显，电具有磁力。 现在有必要确认磁现象对电现象的影响。 法拉第巧妙地解决了这个问题。 迈克尔法拉第 (1791-1867) 出生于伦敦最贫穷的地区之一。 他的父亲是铁匠，母亲是佃农的女儿。 当法拉第到了上学年龄时，他被送到了小学。 法拉第在这里上的课程非常狭窄，仅限于教授阅读、写作和开始计数。 离法拉第一家住的房子几步之遥，有一家书店，也是一家装订店。 这就是法拉第完成小学课程的地方，当时出现了为他选择职业的问题。 那时的迈克尔只有 13 岁。 早在他年轻的时候，法拉第刚开始自学的时候，他就力求只凭事实，用自己的亲身经历来验证别人的报道。 这些愿望作为他的科学活动的主要特征支配了他的一生。 法拉第小时候第一次接触物理和化学，就开始做物理和化学实验。 有一次，迈克尔参加了伟大的英国物理学家汉弗莱戴维的一次讲座。 法拉第把讲座做了详细的笔记，装订了，寄给了戴维。 他印象深刻，以至于他邀请法拉第和他一起担任秘书。 不久，戴维去欧洲旅行，带着法拉第。 两年来，他们参观了欧洲最大的大学。 1815 年回到伦敦，法拉第开始在伦敦皇家学院的一个实验室担任助理。 当时它是世界上最好的物理实验室之一，从1816年到1818年法拉第发表了许多关于化学的小笔记和小回忆录。 法拉第的第一部物理学著作可以追溯到 1818 年。 根据前人的经验，并结合自己的一些经验，到 1821 年 XNUMX 月，迈克尔已经印刷了《电磁学的成功故事》。 在那个时候，他已经对磁针在电流作用下偏转现象的本质形成了一个完全正确的概念。 取得这一成功后，法拉第放弃了他在电力领域的研究十年，致力于研究许多不同类型的学科。 1823年，法拉第做出了物理学领域最重要的发现之一——他首先实现了气体的液化，同时建立了一种简单但有效的将气体转化为液体的方法。 1824 年，法拉第在物理学领域取得了多项发现。 除其他外，他确定了光会影响玻璃颜色并改变它的事实。 次年，法拉第再次从物理学转向化学，他在这方面工作的成果是发现了汽油和萘硫酸。 1831 年，法拉第发表了一篇关于一种特殊光学错觉的论文，该论文作为一种名为“变色剂”的美丽而奇特的光学射弹的基础。 同年，科学家发表了另一篇论文《论振动板》。 其中许多作品本身就可以使作者的名字永垂不朽。 但法拉第最重要的科学工作是他在电磁学和电感应领域的研究。 严格来说，研究电磁现象和感应电现象的物理学的重要分支，目前对技术具有如此重要的意义，是法拉第无中生有地创造出来的。 到法拉第最终投身于电学领域的研究时，已经确定在普通条件下，带电物体的存在足以在任何其他物体中激发其影响力。 同时，众所周知，电流通过的电线也是带电体，对附近放置的其他电线没有任何影响。 是什么导致了这个异常？ 这是法拉第感兴趣的问题，其解决方案使他在感应电领域取得了最重要的发现。 像往常一样，法拉第开始了一系列旨在弄清问题本质的实验。 法拉第将两根相互平行的绝缘电线缠绕在同一个木制擀面杖上。 他将一根导线的末端连接到由十个元件组成的电池，将另一根导线的末端连接到灵敏的检流计。 当电流通过第一根导线时，法拉第将所有注意力转向检流计，希望从它的振荡中注意到第二根导线中出现电流。 然而，并没有发生这样的事情：检流计保持平静。 法拉第决定增加电流，并在电路中引入了 120 个原电池。 结果是一样的。 法拉第重复了这个实验几十次，都取得了同样的成功。 如果换成其他人，就会离开这个实验，确信通过电线的电流不会影响相邻的电线。 但是法拉第总是试图从他的实验和观察中提取他们所能提供的一切，因此，由于没有对连接到检流计的电线产生直接影响，他开始寻找副作用。 他立即注意到电流计在电流通过的整个过程中保持完全静止，但在电路闭合和断开时开始振荡。 事实证明，在电流通过第一根导线的那一刻，以及当这种传输停止时，第二根导线中也会激发电流，在第一种情况下，它的方向与第一根电流相反，并且是与第二种情况相同，只持续一瞬间。 这些由初级电流影响而产生的次级瞬时电流，被法拉第称为感应电流，这个名称一直沿用至今。 感应电流是瞬时的，出现后立即消失，如果法拉第没有找到一种方法，在一个巧妙的装置（开关）的帮助下，不断地中断并再次传导来自电池的初级电流，感应电流将没有实际意义。第一根导线，因此第二根导线被越来越多的感应电流连续激励，从而变得恒定。 因此，除了以前已知的电能（摩擦和化学过程）之外，还发现了一种新的电能来源——感应，以及这种能量的一种新型——感应电。 继续他的实验，法拉第进一步发现，将一根导线扭曲成一条闭合曲线的简单近似值，电流沿着该曲线流动，足以激发与中性线中的电流方向相反的感应电流，即移除中性线会再次激发其中的感应电流。电流已经与沿固定导线流动的电流方向相同，最后，这些感应电流仅在接近和移除中性线时被激发电线连接到电流的导体，如果没有这种运动，电流就不会被激发，无论电线彼此有多靠近。 因此，发现了一种新现象，类似于上述电流闭合和终止期间的感应现象。 这些发现反过来又催生了新的发现。 如果可以通过关闭和停止电流来产生感应电流，那么铁的磁化和退磁是否会得到相同的结果？ 奥斯特和安培的工作已经建立了磁和电之间的关系。 众所周知，当绝缘电线缠绕在铁上并且电流通过铁时，铁会变成磁铁，并且一旦电流停止，铁的磁性就会消失。 基于此，法拉第想出了这样的实验：将两根绝缘电线绕在一个铁环上； 此外，一根电线缠绕在环的一半上，另一根缠绕在另一半上。 来自原电池的电流通过一根电线，另一根电线的末端连接到检流计。 因此，当电流闭合或停止时，当铁环被磁化或消磁时，检流计指针快速振荡，然后迅速停止，也就是说，所有相同的瞬时感应电流都在中性线中被激发 - 这时间：已经在磁力作用下。 因此，在这里，磁力第一次转化为电能。 收到这些结果后，法拉第决定将他的实验多样化。 他开始使用铁环，而不是铁环。 他没有用电流激发铁的磁性，而是通过将铁接触永磁体来磁化铁。 结果是一样的：缠绕在铁块上的导线中，在铁块充磁和退磁的瞬间总是激发出电流。 然后法拉第将一块钢磁铁引入导线螺旋中——后者的接近和移除导致导线中产生感应电流。 总之，就感应电流的激发而言，磁的作用与原电流完全相同。 当时，物理学家正忙于一种神秘现象，它是阿拉戈在 1824 年发现的，但没有找到解释，尽管如此； 阿拉戈本人、安培、泊松、巴巴伊和赫歇尔等当时著名的科学家都在积极寻求这种解释。 事情如下。 如果将一圈非磁性金属放在它下面，自由悬挂的磁针会很快停止； 如果然后将圆圈置于旋转运动中，则磁针开始跟随它。 在平静的状态下，不可能发现圆与箭之间有丝毫的吸引力或排斥，而在运动中的同一圆，在它身后拉动的不仅是一根轻箭，还有一块重磁铁。 对于当时的科学家来说，这种真正神奇的现象似乎是一个神秘的谜语，是一种超越自然的东西。 法拉第根据他的上述数据，假设一圈非磁性金属在磁铁的影响下，在旋转过程中通过感应电流循环，感应电流影响磁针并将其拉到磁铁后面。 事实上，通过在一个大型马蹄形磁铁的磁极之间引入圆的边缘，并用一根电流计将圆的中心和边缘连接起来，法拉第在圆的旋转过程中获得了恒定的电流。 此后，法拉第确定了另一个引起普遍好奇心的现象。 如您所知，如果将铁屑撒在磁铁上，它们会沿着某些线分组，称为磁曲线。 法拉第注意到这一现象，于 1831 年将磁曲线命名为“磁力线”，然后开始普遍使用。 对这些“线”的研究使法拉第有了新的发现，原来对于感应电流的激发，不需要从磁极接近和移除源。 为了激发电流，以已知方式穿过磁力线就足够了。 从现代的角度来看，法拉第在上述方向上的进一步作品获得了完全奇迹般的特征。 1832 年初，他演示了一种无需磁铁或电流即可激发感应电流的装置。 该装置由放置在线圈中的铁条组成。 该装置在正常条件下没有任何迹象表明其中出现了电流。 但只要给他一个与磁针方向相对应的方向，导线中就会激发出电流。 然后法拉第将磁针的位置给一个线圈，然后在其中引入一条铁条：电流再次被激发。 在这些情况下产生电流的原因是地磁，它会像普通磁铁或电流一样产生感应电流。 为了更清楚地展示和证明这一点，法拉第进行了另一项实验，完全证实了他的想法。 他推断，如果一个非磁性金属（例如铜）圆在与相邻磁铁的磁力线相交的位置旋转，产生感应电流，那么同一个圆在没有磁场的情况下旋转一块磁铁，但在一个圆将穿过地磁线的位置，也必须产生感应电流。 事实上，在水平面上旋转的铜圈会产生感应电流，从而使电流计指针出现明显偏差。 法拉第在 1835 年发现了“电流对自身的感应效应”，从而结束了电感应领域的多项研究。 他发现，当电流闭合或断开时，会在导线本身中激发瞬时感应电流，该电流充当该电流的导体。 俄罗斯物理学家 埃米尔·赫里斯托福罗维奇·伦茨 (1804-1861) 给出了确定感应电流方向的规则。 A.A. Korobko-Stefanov 在他关于电磁感应的文章中指出：“感应电流总是以它产生的磁场阻碍或减慢引起感应的运动的方式引导。”例如，当线圈接近磁铁时，产生的感应电流具有这样的方向，它产生的磁场将与磁铁的磁场相反。结果，线圈和磁铁之间产生排斥力。 楞次定律来自能量守恒定律和转化定律。 如果感应电流加速了引起它们的运动，那么功将从无到有。 线圈本身在轻轻一推后就会冲向磁铁，同时感应电流会在其中释放热量。 实际上，感应电流是由于将磁铁和线圈靠得更近而产生的。 为什么会有感应电流？ 一位英国物理学家对电磁感应现象进行了深入的解释 詹姆斯·克拉克·麦克斯韦 - 完整的电磁场数学理论的创造者。 为了更好地理解问题的本质，考虑一个非常简单的实验。 让线圈由一匝导线组成，并被垂直于匝平面的交变磁场穿透。 当然，线圈中有感应电流。 麦克斯韦以非凡的勇气和出乎意料的方式解释了这个实验。 根据麦克斯韦的说法，当磁场在空间中发生变化时，会出现一个过程，其中是否存在线圈并不重要。 这里最主要的是电场的闭合环形线的出现，覆盖了变化的磁场。 在新兴电场的作用下，电子开始运动，线圈中产生电流。 线圈只是一种可以让您检测电场的设备。 电磁感应现象的本质是交变磁场总是在周围空间产生闭合力线的电场。 这样的场称为涡流场。 地磁产生的感应领域的研究让法拉第早在 1832 年就有机会表达电报的想法，这成为了这项发明的基础。 总的来说，电磁感应的发现并非没有理由归功于 XNUMX 世纪最杰出的发现——全世界数以百万计的电动机和发电机的工作都是基于这种现象…… 作者：萨明 D.K.
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